Thermodynamik lernen mit Muse

Thermodynamik ist ja doch oft ein bisschen zach, wenn man es lernen muss, jedoch nicht ganz versteht, und der Stoff meistens relativ trocken präsentiert wird!

Mit der britischen Rockband Muse macht es vielleicht ein bisschen mehr Spaß! ;-)
Natürlich kann man über Thermodynamik und Entropie viel mehr sagen als im Liedtext vorkommt (einen Aspekt der Entropie habe ich vor kurzem ja in einem Artikel beschrieben). Aber niemand anderer wird einem beim Physik lernen so die Ohren durchpusten wie Muse mit ihrem Lied "The 2nd Law: Unsustainable".
Auch das Album heißt "The 2nd Law" - also hat auch dieser Titel mit der besungenen Entropie zu tun (Stichwort: zweiter Hauptsatz der Thermodynamik).

Na dann: Lautstärke aufdrehen und durchdrehen! ;-)
Unter dem Video gibt's dann den Text zum Mitlesen.

All natural and technological processes proceed in such a way that the availability of the remaining energy decreases.
In all energy exchanges, if no energy enters or leaves an isolated system, the entropy of that system increases.

Energy continuously flows from being concentrated, to becoming dispersed, spread out, wasted and useless.
New energy cannot be created and high grade energy is being destroyed. An economy based on endless growth is... Un-sus-tain-able!

The fundamental laws of thermodynamics will place fixed limits on technological innovation and human advancement.
In an isolated system the entropy can only increase. A species set on endless growth is... Un-sus-tain-able!

Sternenlicht "lesen" II - Temperatur eines Sterns

Unser Wissen über das Universum ist seit Beginn der Wissenschaft (anfangs wohl eher der Naturphilosophie) enorm gewachsen. Der permanente Erkenntnisgewinn hält bis heute an.
Um die Natur, ihre Beschaffenheit und Gesetzmäßigkeiten genauer kennenzulernen, muss man sie gründlich beobachten.
Genau das macht die Menschheit seit jeher und hat dabei Großartiges gelernt.

Im diesem Artikel - dem zweiten Teil aus meiner Reihe "Sternenlicht 'lesen'" - konzentriere ich mich abermals auf Informationen, die man aus dem Licht eines Sterns in Erfahrung bringen kann. Ich hoffe, auch diesmal zeigen zu können, auf welch bemerkenswerte Weise wir unser Wissen über weit entferne Sterne und Galaxien erweitern, indem wir nur das von ihnen ausgesandte Licht betrachten.

Zu Recht: Links - Juli 2013 (2/2)

Fast 40 neue und alte Artikel und Videos in den letzten zwei Wochen - entdeckt, gefunden und für die folgende Liste ausgewählt.

Falls man sich nicht die Zeit nehmen möchte, alles anzusehen, kann ich die Beiträge mit einem "≤" besonders empfehlen.

Fröhliches Stöbern! ;-)

"We live in a society that is entirely based on science"

Presented with the "President's Medal" at an event in London, Professor Brian Cox (Manchester University) gave a speech about the importance and necessity of scientific education for our (future) society.

"All the great, important decisions that our democracy will be forced to take in the next decades and onwards in the 21st century are based on science. They are based on the scientific method. They are based on an understanding what reason and reaching conclusions based on evidence is."

18 minutes that are really worth watching:
"Brian Cox: it is not acceptable to promote bad science"

You can find a more extensive article on this topic here (in German language).

Entwicklung der Quantenphysik VII: Wie sehen Atome aus?

Als Max Planck 1874 seinen Physikprofessor in München fragte, wie denn die beruflichen Aussichten nach einem Physikstudium seien, wurde ihm geraten, nicht Physik zu studieren, denn nach der damaligen Ansicht vieler Physiker war "in dieser Wissenschaft schon fast alles erforscht" und es galt "nur noch, einige unbedeutende Lücken zu schließen". Eine dieser "unbedeutenden Lücken" war das Problem der Ultraviolett-Katastrophe der Hohlraumstrahlung. Planck gelang es, diese Lücke mit seiner Quantenhypothese zu schließen. Wie sich jedoch herausgestellt hatte, war dieses Problem alles andere als nur ein unbedeutendes und kleines - vielmehr stellte seine Lösung unser ganzes physikalisches Weltbild auf den Kopf und legte einen Grundstein für eine neue, umfangreiche und äußerst präzise Theorie: die Quantenphysik. Hätte Plancks ehemaliger Physikprofessor gewusst, dass sein Schüler einer der bedeutendsten Physiker aller Zeiten werden wird, hätte er ihm wohl niemals vom Physikstudium abgeraten. So gesehen gut, dass sich der junge Planck doch nicht dem Musikstudium widmete.

Max Planck in München, 1874
(Quelle: http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Max_Planck_1874.png)

Viele neue Ideen und Konzepte folgten Plancks Quantenhypothese, wie wir in den letzten Artikeln gesehen haben. So erkannte man z. B., dass Licht aus Photonen ("Wellenpaketen") besteht, dass man herkömmliche "Teilchen" (z. B. Elektronen) analog zum Licht durch Welleneigenschaften beschreiben kann, dass diese Materiewellen jedoch nur eine Wahrscheinlichkeit repräsentieren, das Teilchen zu einer bestimmten Zeit an einem bestimmten Ort zu finden, oder dass es fundamentale Grenzen in der gleichzeitigen exakten Bestimmbarkeit von Impuls und Ort eines Teilchens gibt.

Ist jemandem aufgefallen, dass wir trotz unserer mikroskopischen Beschreibung von Licht und Materie noch gar nicht darauf eingegangen sind, wie unsere Materie tatsächlich aussieht? Anders gefragt: Wie kann man sich ein Atom vorstellen? Diese Frage soll heute genauer behandelt werden.

Sternenlicht "lesen" I - Helligkeit und Leuchtkraft

(Im August 2011 schrieb ich eine Artikelserie mit dem Titel "Sternenlicht 'lesen'" in einem alten Blog. Diese sechs Artikel werde ich in nächster Zeit nun auch hier in meinem aktuellen Blog stückweise veröffentlichen. Ich hoffe, dass sie für viele von euch wie neu erscheinen!)


Sterne bedeuten wohl für jeden etwas anderes. Manche sind bei ihrem Anblick fasziniert und hingerissen und denken andächtig an die unbegreiflich großen Dimensionen des Universums. Manche sinnieren darüber, ob es "da oben" wohl noch mehr geben kann als bloße Sterne - Leben, intelligentes Leben, womöglich etwas Göttliches. Manchen ist vielleicht bewusst, dass alles "Material" auf unserem Planeten Erde - sogar der organische Stoff, der jeden von uns aufbaut - in genau solchen Sternen, wie wir sie auf jedem Fleck des Himmels sehen, einst gebildet wurde.
Andere betrachten all die Himmelskörper womöglich weniger emotional - für sie sind Sterne einfach Sterne, nicht mehr und nicht weniger. Sterne sind für unsere Sinnesorgane immerhin nur helle Punkte, die bestenfalls ein bisschen flackern (was übrigens unsere Atmosphäre bewirkt - die Sterne selbst flackern nicht derart), sonst aber wirklich nicht aufregend sind. Oder womöglich doch?

Ja, unsere Augen sind wohl etwas zu unsensibel, um aus dem Licht der Sterne Nennenswertes herauszulesen. Aber wir haben technische Hilfsmittel und logische Gedankengänge entwickelt, mit deren Hilfe wir erstaunlich viele Eigenschaften eines Sterns erfahren können.
In diesem und in den folgenden Artikeln dieser Serie geht es darum, was wir einzig und allein aus dem Sternenlicht (denn mehr "haben" wir von einem Stern nicht) "lesen" können.

Zu Recht: Links - Juli 2013 (1/2)

Dass ich das Internet einschalte und keine interessanten Artikel oder Videos finde, gibt's eigentlich nicht.

Hier findet ihr wieder eine kleine Auswahl meiner Internet-Fundstücke der letzten beiden Wochen.
Artikel bzw. Videos, die mit einem "≤" markiert sind, kann ich besonders empfehlen!

Na dann: Viel Vergnügen!

Ein oft vernachlässigtes Detail der Entropie

Das Konzept der Entropie in der Physik ist wohl für die meisten etwas unintuitiv und deshalb schwer nachvollziehbar, wenn sie sich zum ersten Mal damit beschäftigen.
Es gibt viele ganz gute Erklärungen, die man schnell in Büchern oder im Internet findet, welche dem Leser durch einfache Analogien ein Gefühl für Entropie vermitteln. Meist wird diese mit "Maß für Unordnung" in Verbindung gebracht, was ein durchaus hilfreiches Bild sein kann (...aber nicht die beste "Übersetzung" ist). Dabei wächst die Entropie mit zunehmender Unordnung. Jedes (abgeschlossene) System wird mit der Zeit "unordentlicher". In diesem Zusammenhang könnte man die "Richtung des Zeitpfeils" sogar als diejenige Richtung in der Zeit definieren, in die die Unordnung eines Systems zunimmt. Die Entropie nimmt also mit der Zeit stets zu!

Das waren nur ein paar knappe Worte zum Zusammenhang zwischen Entropie und Zeit. (Keine Angst - ich bringe gleich nette Beispiele und werde meine Gedanken detaillierter ausführen!) Besonders möchte ich mich jedoch auf ein Detail stürzen: Entropie nimmt mit der Zeit stets zu. Dieser letzte Satz des ersten Absatzes stimmt nicht prinzipiell! Zwar kann man für alle praktischen Zwecke davon sprechen, dass Entropie (in einem abgeschlossenen System = ohne äußere Einwirkung) immer zunimmt, doch da es theoretisch in der Tat möglich ist, dass die Entropie eines Systems spontan und von selbst abnimmt, entgeht einem leicht das grundlegende Konzept der Entropie durch das Aufstellen dieser "praxisorientierten Regel".

Warum ist es mir wichtig, auf diesen Punkt einzugehen? Ist dieser nicht völlig irrelevant, wenn man in der Natur immer Entropiezunahme beobachtet, egal wo man hinschaut? - Ich denke nicht. Denn dieses Detail verkörpert den grundlegenden, statistischen Charakter der Entropie.
(Abgesehen davon: Erst als dieses Detail, welches in vielen Quellen unerwähnt bleibt, in meinem Gehirn Platz gefunden hatte, konnte ich mit dem Begriff der "Entropie" wirklich etwas anfangen.)

Ein Physiker geht duschen...

...und macht sich Gedanken zu einem schwerwiegenden Problem: Der kalte Duschvorhang bewegt sich während des Duschens, wenn das angenehm warme Wasser von oben über den eigenen Körper plätschert, langsam ins Innere der Duschkabine, bis er sich im schlimmsten Fall auf den Duschenden klebt. Brrr!

Mir passiert dies zwar selten (weil kein Duschvorhang), doch zur Genüge kennen dürfte dieses Problem Prof. Dr. Harald Lesch. In einer Ausgabe von "Leschs Kosmos" erläutert er das "Mysterium des Duschvorhangs" auf sehr anschauliche und humorvolle Weise. Dieses Video werde ich später verlinken - es soll auch der Schwerpunkt dieses Artikels sein.

Harald Lesch erwähnt im folgenden Video mehrmals einen gewissen "Bernoulli-Effekt", welcher besagt, dass der statische Druck in einem Gebiet strömender Flüssigkeiten abnimmt, je schneller sich die Flüssigkeit bewegt. Dieser Effekt kann z. B. auch die Bananenflanke beim Fußball erklären, bei welcher der Ball in der Luft eine gekrümmte Bahn zurücklegt, nachdem er "mit Effet getreten" wurde. Über diesen Magnus-Effekt (im Zusammenhang mit "Fußball-Boomeranging") hab ich sogar schon einmal gebloggt.

Dieses Bernoulli-Gesetz stellt jedoch nur den Spezialfall einer viel umfangreicheren Gleichung dar, welche die Bewegung von Fluiden präzise zu beschreiben vermag - die Navier-Stokes-Gleichung (nach Claude Louis Marie Henri Navier und George Gabriel Stokes). Diese Gleichung berücksichtigt Effekte, wie z. B. die innere Reibung (Viskosität) von Flüssigkeiten oder die Kompressibilität etc.
Der Vollständigkeit halber führe ich diese Gleichung hier an - nicht unbedingt mit der Absicht, dass sie jeder zu analysieren und zu verstehen probiert, sondern eher deshalb, weil es sehr erstaunlich ist, dass die Kombination von ein paar Größen (Dichte ρ, Druck p, Geschwindigkeit eines Teilchens v, Volumenkraftdichte f) in Verbindung mit wenigen Konstanten (λ und μ) beispielsweise dazu führten, dass Passagierflugzeuge in der heutigen Zeit ein relativ sicheres Transportmittel geworden sind, Formel-1-Autos trotz hoher Geschwindigkeiten auf dem Boden bleiben, Leben gerettet werden, weil man den Blutfluss im Körper einigermaßen versteht oder das globale Klima (mit gewissen Wahrscheinlichkeiten verbunden) vorhergesagt werden kann. Nicht zuletzt führte diese Gleichung dazu, dass ein großer Teil der Menschen, wenn man über "die Erde" spricht, eher an unseren Heimatplaneten denkt als an den Bestandteil des natürlichen Bodens.

"Dunkle Welten" - Eine Empfehlung

Gerade habe ich es nachgeholt, die Artikelserie von Florian Freistetter über die Geschichte der Dunklen Materie in seinem Blog Astrodicticum Simplex nachzulesen.

Diese sieben Artikel geben einen schönen, besonders angenehm zu lesenden Überblick über die Entwicklung der Vorstellung, dass das Universum zu einem überraschend großen Teil mit etwas gefüllt sein muss, dass sich unseren Blicken bisher entzogen hat. Warum man trotzdem an die Existenz dieser ungewöhnlichen und völlig andersartigen Art von Materie glaubt, könnt ihr in Florian Freistetters Artikeln nachlesen. Danach findet ihr dieses Thema hoffentlich genau so spannend wie ich! ;-)


Ich werde die einzelnen Teile der Serie "Dunkle Welten" hier ganz komfortabel verlinken, da ich sie als sehr empfehlenswert ansehe:

• Teil I - Wer hat die dunkle Materie erfunden?
• Teil II - Im Universum ist mehr als man sehen kann
• Teil III - Rotierende Galaxien und dunkle Materie
• Teil IV - Dunkle Materie und Deuterium
• Teil V - Gibt es vielleicht doch keine dunkle Materie?
• Teil VI - Dunkle Materie und das erste Licht
• Teil VII - Die Suche nach der dunklen Materie nähert sich dem Ende

Übrigens: Heute ist außerdem eine neue Ausgabe meines automatisch erstellten Online-Magazins "the mug of science" herausgekommen.

Zu Recht: Links - Juni 2013

Während ich im Juni aus einfachen Zeitgründen nicht so viele Blogartikel schreiben konnte, stieß ich dennoch auf viele Seiten des Internets, die es wert sind, weiterverbreitet zu werden.

Im Anschluss findet ihr diese Links. Die besonders guten sind mit einem "≤" markiert.